L'arôme de banane : synthèse et suivi cinétique d'un ester

Cet exercice de chimie de 6,5 points du Bac S Métropole rattrapage 2003 porte sur l'acétate de butyle, l'ester responsable de l'odeur de banane. On y retrouve tout le programme de chimie organique de l'ancienne terminale S : famille des esters, synthèse à partir d'un acide et d'un alcool, rôle du catalyseur, suivi par titrage, taux d'avancement final et moyens d'améliorer une synthèse. Les cinq parties sont indépendantes, ce qui permet de ne pas rester bloqué.

Questions préliminaires

Un industriel préfère le composé artificiel car il revient moins cher que l'extraction de l'arôme naturel. La molécule contient le groupe –CO–O–C : c'est un ester. En la découpant, la partie CH₃–CO– provient de l'acide éthanoïque (A) et la partie –O–CH₂–CH₂–CH₂–CH₃ du butan-1-ol (B).

La synthèse au laboratoire

Le bain d'eau glacée bloque la réaction pendant la préparation : la température est un facteur cinétique, et la réaction ne démarre vraiment qu'à la date choisie, lors du passage à 80 °C. L'acide sulfurique est un catalyseur : il accélère la synthèse sans modifier l'état final. La quantité d'acide se calcule par n_A = μ_A × V_A / M_A, soit 1,05 × 5,8 / 60 = 0,10 mol. Le mélange étant équimolaire, l'avancement maximal vaut x_max = 0,10 mol.

Le suivi par titrage

L'indicateur coloré repère l'équivalence par son changement de teinte. Comme l'acide est consommé par la synthèse, le volume de soude à l'équivalence diminue de 10,0 mL à 3,3 mL puis reste constant à partir de 60 min. À l'équivalence, la quantité d'acide dans un tube vaut c × V_eq. Chaque tube contenant un dixième du mélange, on obtient la relation x = 0,10 – 10 × c × V_eq, que le corrigé vérifie à la date t = 0 : V_eq = 10,0 mL donne bien x = 0.

Évolution temporelle et équilibre

Sur la courbe, le palier donne x_f = 6,7 × 10^-2 mol, d'où un taux d'avancement final τ = 0,67, inférieur à 1. La transformation est lente, puisque le palier n'est atteint qu'au bout d'une heure environ malgré le chauffage, et non totale, puisqu'il reste de l'acide et de l'alcool. L'état d'équilibre dynamique s'explique par deux réactions inverses, estérification et hydrolyse, qui se poursuivent à la même vitesse. Pour aller plus vite, on chauffe ; pour augmenter le taux d'avancement, on met un réactif en excès ou on élimine l'eau. Enfin, l'anhydride éthanoïque remplace l'acide pour rendre la synthèse rapide et totale.

Pièges et conseils

Attention à la lecture du graphique : l'axe est gradué en 10^-2 mol, et oublier cette puissance de dix donnerait un taux supérieur à 1. Ne confonds pas non plus les rôles : augmenter la température accélère la synthèse mais ne change pratiquement pas l'état d'équilibre, et le catalyseur n'améliore pas le rendement. Rédige le tableau d'avancement proprement : il sert de fil conducteur à toute la partie 4.